Titre de la situation d'apprentissage : Le moteur électrique! Source : Martin Broz Durée approximative : Entre 4 et 8 heures Auteurs : Cette SA est une adaptation des travaux de François Poitevin, enseignant à la commission scolaire du Val-des-Cerfs et de François GuayFleurent, enseignant à la commission scolaire de la Riveraine. Adaptation et validation : Guy Mathieu, enseignant à la commission scolaire de la Vallée-des-Tisserands Informations générales avant de commencer Compétences disciplinaires visées : Mettre à profit ses connaissances scientifiques et technologiques Communiquer à l'aide des langages utilisés en science et technologie Compétences transversales développées dans cette SAE : Se donner des méthodes de travail efficaces Exploiter l'information Démarche d'investigation ou stratégies incluses dans la SAE : Vous vous initierez à la démarche d'analyse en plus d'employer des stratégies d'exploration et d'analyse. Mise en situation C'est le temps des barbecues et des méchouis! Quoi de mieux qu'une viande bien tendre cuite sur la broche? Pour avoir une viande cuite à la perfection, il faut pourtant qu'elle tourne constamment au-dessus de la flamme, mais vous avez bien d'autres choses à faire que de tourner une broche sur le feu toute une journée... Ce serait tellement plus facile si elle tournait toute seule! Pourrait-on utiliser un moteur qui le fasse à votre place? Source : Dany Brun Les moteurs électriques rotatifs ont été inventés depuis déjà très longtemps comme le montre la photo suivante : Moteur électrique de 1860 Source : Rigolithe Q1. Reconnaissez-vous certaines pièces dans ce moteur électrique? Si oui, nommez-les. Réponse variable selon vos connaissances. Il n'y a plus vraiment de point commun avec les moteurs actuels. Q2. Connaissez-vous des éléments qui se retrouvent dans les moteurs électriques d'aujourd'hui? Réponse variable selon vos connaissances. Si oui, nommez tous ceux que vous connaissez. À la fin de cette situation, vous connaitrez toutes les parties importantes (ou composants importants) ainsi que leur fonction respective. Tâches à accomplir dans cette situation : 1. Découvrir par l'expérimentation le champ magnétique des aimants; 2. Observer le champ magnétique produit par un fil et un solénoïde; 3. Analyser un moteur électrique. En effectuant ces expérimentations et cette analyse, vous développerez encore vos habiletés en laboratoire. Les techniques que vous pratiquerez sont les suivantes : Montage et démontage — Utilisation sécuritaire du matériel Tâche 1 : Découvrir par l'expérimentation le champ magnétique des aimants Tous les moteurs électriques sont conçus avec au moins un aimant. Qu'est-ce qu'un aimant peut bien faire dans un moteur électrique? Pour répondre à cette question, il est important de comprendre ce qu'est un aimant et comment il agit sur son environnement. Expérimentation : Le champ magnétique produit par les aimants But : Étudier le champ magnétique des aimants et les principes d'attraction et de répulsion liés au magnétisme. Matériel requis — 2 aimants droits et 1 en forme de U — 1 carton blanc (ou une feuille blanche) — 1 boussole — 1 clou — limaille de fer (elle s’oriente en direction du champ magnétique) Démarche suggérée : 1. Posez un aimant droit sur une table. 2. Recouvrez l'aimant du carton blanc. 3. Saupoudrez la limaille de fer sur le carton. Ne saupoudrez pas la limaille directement sur l'aimant. 4. Dessinez l'orientation de la limaille de fer dans le rectangle identifié « Le champ magnétique d'un aimant droit ». S N S Le champ magnétique d'un aimant droit N Le sens du champ magnétique autour d’un aimant droit 5. Placez la boussole aux endroits indiqués par des cercles autour de l'aimant et dessinez l'orientation de l'aiguille dans le rectangle identifié « Le sens du champ magnétique autour d’un aimant droit ». 6. Soulevez le carton et posez les deux aimants de façon à ce que les deux pôles nord soient rapprochés. Au besoin, empêchez-les de tourner à l'aide de ruban adhésif. 7. Reposez le carton sur les aimants et saupoudrez ou disperser la limaille de fer sur le carton. 8. Dessinez l'orientation de la limaille de fer dans le rectangle identifié « Répulsion entre deux aimants ». 9. Placez la boussole aux endroits indiqués autour de l'aimant et dessinez l'orientation de l'aiguille dans le même rectangle. S N N Répulsion entre deux aimants S 10. Recommencez les étapes 6 à 9 pour les 2 cas suivants : S N S N Attraction entre deux aimants S N Aimant en forme de U Analyse de vos résultats : En vous basant sur les résultats que vous avez obtenus dans les manipulations précédentes, répondez aux questions suivantes : Q3. Que pouvez-vous dire en ce qui concerne l'orientation de l'aiguille de la boussole? Elles s'alignent constamment dans la même direction que la limaille de fer. La pointe de l'aiguille de la boussole s'oriente en direction du pôle sud magnétique des aimants. Q4. Que pouvez-vous conclure sur la nature de l'aiguille de la boussole? Elle est aimantée tout comme la limaille de fer. Q5. Qu'observez-vous lorsqu'on approche les pôles semblables de deux aimants? Ils ont tendance à se repousser. Leurs actions sur la boussole ou la limaille semblent s'annuler au centre des 2 aimants. Q6. Qu'observez-vous lorsqu'on approche les pôles contraires de deux aimants? Ils ont tendance à s'attirer. Leur action sur la boussole ou la limaille semble s'additionner au centre des 2 aimants. Q7. Expliquez la direction empruntée par la limaille de fer et par la boussole lorsqu'elles sont à proximité de l'aimant en forme de U. Elles s'alignent entre les 2 pôles magnétiques de façon à former des courbes qui partent d'un pôle vers l'autre. Visionnement d'une vidéo Avant de conclure, vous pouvez visionner une courte vidéo qui vous permettra de faire une synthèse de votre expérience précédente tout en enrichissant vos connaissances en lien avec les caractéristiques et les propriétés des aimants. Scannez le code QR ou taper l’adresse suivante : https://youtu.be/Mjg_2Ic3FYE Conclusion : La limaille de fer nous indique la direction du champ magnétique produit par les aimants. Quand vous avez représenté l’orientation de la limaille de fer autour des aimants, vous avez en quelque sorte représenté le champ magnétique des aimants. Les scientifiques ont établi une convention pour la représentation du champ magnétique : on doit tracer des lignes qui suivent l’orientation de la limaille de fer et ajouter des flèches sur ces lignes qui sont orientées du pôle nord vers le pôle sud. Q8. Représentez le champ magnétique autour de l'aimant droit à l'aide de lignes de champ avec des flèches. S N La Terre est aussi considérée comme un immense aimant permanent. Le pôle sud magnétique de la Terre est presque parfaitement aligné avec le pôle Nord géographique. Oui oui! C'est un peu mêlant, mais quand on le sait, c'est assez facile à retenir. La Terre est un immense aimant permanent Source : Yekcim Q9. En regardant le schéma précédent du champ magnétique de la Terre, dites dans quelle direction pointera le pôle nord magnétique de l'aiguille d'une boussole. L'aiguille de la boussole s'alignera avec les lignes de champ magnétique terrestre. Les lignes longent la surface de la Terre s'alignant presque parfaitement entre les 2 pôles géographiques. Partout à la surface de la Terre, le pôle nord de la boussole pointera en direction du pôle Nord géographique. C'est ce qui nous permet de nous orienter avec une boussole! Essayons de résumer ces nouvelles notions de façon logique : le pôle nord magnétique de l'aiguille d'une boussole s'aligne avec le pôle sud magnétique de la Terre qui est en fait son pôle Nord géographique. Ouf! Donc, le pôle nord de la boussole pointe vers... le pôle Nord de la Terre, là où vit le père Noël. Mais ça, c'est une autre histoire. L'aimant attire le fer Source : Pixabay.com Q10. Maintenant que vous savez qu'un aimant peut faire pivoter la limaille de fer et aussi l'aiguille d'une boussole, que pensez-vous de son rôle dans un moteur électrique? Tentez une hypothèse, c'est gratuit et ça ne fait pas mal! Vous aurez la chance de vérifier si votre hypothèse est juste à la tâche 3 de cette situation d'apprentissage. Ex. L'aimant servira à faire bouger un objet créant ainsi le mouvement du moteur. Avant d'aller plus loin, il vous faut bien maitriser ces notions. Faites la section suivante de votre cahier de savoirs et d’activités : Pages 222 à 226 au complet : Pages 142 à 145 au complet : Forces d’attraction et de répulsion Mais d'où viennent ces champs magnétiques? Sommes-nous capables d'en produire en laboratoire et en industrie? Bien sûr que oui! C'est ce que vous découvrirez dans la prochaine tâche. Tâche 2 : Observer le champ magnétique produit par un fil et un solénoïde Dans un moteur électrique, on retrouve souvent des bobines de fil en cuivre. On les nomme solénoïdes et ils sont très utiles pour la fabrication des moteurs électriques, des générateurs, des haut-parleurs, des microphones, etc. En fait, il y a un lien très étroit entre le champ magnétique et le courant électrique. Comme vous pourrez le constater dans l'expérimentation suivante, ils sont indissociables l'un de l'autre. Expérimentation : Le champ magnétique produit par un fil parcouru par un courant électrique. Cette expérimentation est très difficile à réussir avec le matériel habituellement disponible en laboratoire. Vous pouvez visionner une courte vidéo qui a été produite par des experts en suivant le lien suivant : https://youtu.be/AmErijX9DOM Après avoir visionné cette vidéo, répondez aux questions suivantes : Q11. Dessinez le champ magnétique autour du fil droit dans les 2 cas suivants : a) b) + - - + Q12. Comment sont orientées les lignes de champ magnétique d’un fil parcouru par un courant électrique? Elles sont enroulées autour du fil parcouru par un courant électrique, peu importe le sens du courant. Mais leur sens change Q13. Comment pourriez-vous augmenter la force de ce champ magnétique? En augmentant l'intensité du courant électrique. Maintenant que vous avez appris qu'un courant électrique dans un fil produit un champ magnétique, vous pourrez faire une expérimentation assez simple pour observer un composant beaucoup plus efficace : le solénoïde. André-Marie Ampère naît en France en 1775 et y meurt en 1836. Il a consacré toute sa vie à l’avancement des connaissances. «Ses travaux de laboratoire amènent Ampère à imaginer et à réaliser, de ses propres mains, des montages et des dispositifs ingénieux. Leur portée pratique est immense. Certains sont à la base d'appareils de mesure électrique : l'ampèremètre, pour la mesure de l'intensité, le voltmètre, pour la mesure des différences de potentiel». Il a d’ailleurs travaillé sur le solénoïde. Il est constitué par l'enroulement en hélice d'un fil métallique. Source : encyclopédies Universalis en ligne Le solénoïde Source : Zureks Traversé par un courant, le solénoïde se comporte comme un véritable aimant. L'allure des lignes de champ magnétique extérieur au solénoïde est comparable à un aimant droit. On peut lui attribuer une extrémité nord et une extrémité sud, comme dans le cas d'un aimant. Cet enroulement est utilisé dans un grand nombre d'appareils : transformateurs, électro-aimants... et bien entendu le moteur électrique! Expérimentation : Le champ magnétique produit par un solénoïde parcouru par un courant électrique. Matériel requis : — Une boussole — Deux solénoïdes ayant un nombre de spires différent — Source de courant continu ou deux batteries de 3 et 9 volts — Limaille de fer — Fils connecteurs N.B. Vous devez devenir un peu plus autonome lors des expérimentations. Pour cette raison, on vous demande maintenant de produire une partie de la démarche expérimentale. À la fin du cours SCT-4062-2 Les changements climatiques, vous devrez produire un protocole expérimental de façon complètement autonome. Aussi bien commencer à pratiquer tout de suite! Manipulations (à compléter) : 1. Reliez à l'aide de deux fils connecteurs les bornes du solénoïde ayant le moins de spires à la source de courant en position hors tension. S'il s'agit d'une batterie de 3 volts, mettez un interrupteur en position ouverte avant de connecter le solénoïde. (Proposer des manipulations vous permettant d'observer le champ magnétique). 2. Avec le solénoïde déposé à plat sur la table, fermez l'interrupteur ou mettez la source de tension sur 3 volts en fonction. 3. Placez une boussole près du solénoïde en prenant soin de dessiner la position de l'aiguille à cet endroit. 4. Déplacez la boussole à au moins 6 endroits différents afin de dessiner la position de l'aiguille à chaque endroit. 5. Fermez la source de tension ou ouvrez l'interrupteur s'il s'agit d'une batterie chimique. 6. Recommencez les étapes 1 à 6 avec la source de 9 volts. 7. Recommencez les étapes 1 à 6 avec cette fois-ci le solénoïde possédant plus de spires et la tension à 9 volts seulement. 8. Inversez les connexions aux bornes du solénoïde et recommencez les étapes 1 à 6 avec la tension à 9 volts. Analyse de vos résultats : Q14. À quoi ressemble le champ magnétique produit par un courant circulant dans un solénoïde ? Il ressemble beaucoup à celui produit par un aimant droit. Q15. Le comportement de l’aiguille de la boussole était-il le même selon le solénoïde utilisé? Pourquoi? Pratiquement le même comportement. La seule différence est qu'elle réagit plus rapidement lorsqu'on utilise le solénoïde avec plus de tours. Le champ magnétique semble donc plus fort pour ce solénoïde. Q16. Qu'avez-vous observé en inversant le sens du courant électrique dans le solénoïde? L'aiguille de la boussole changeait de sens. Elle pivotait de 180o. Q17. Comment peut-on modifier l’intensité du champ magnétique d’un solénoïde? Nommez 2 moyens. 1. En augmentant le nombre de tours du fil conducteur qui forme le solénoïde. 2. En augmentant la différence de potentiel électrique à ses bornes. Ce qui a pour effet d'augmenter l'intensité du courant électrique. Visionnement de deux vidéos Avant de conclure, vous pouvez visionner 2 petites vidéos qui vous permettront de faire une synthèse de votre expérience précédente tout en enrichissant vos connaissances en liens avec le solénoïde. Il est préférable de visionner les deux vidéos dans l'ordre : 1- (https://youtu.be/oP0y8gPSMeE) 2- (https://youtu.be/-7eoDj6Go08) Conclusion : Comme vous l'avez vu, l'aimant et le solénoïde produisent un champ magnétique similaire. Les lignes formées par la limaille de fer dans un champ magnétique sont appelées lignes de champ. Le sens du champ magnétique est donné par l'aiguille de la boussole qui est toujours parallèle aux lignes de champ. Pour simplifier la représentation d’un champ magnétique, on identifie les pôles de l'aimant (nord et sud). Ainsi, la pointe de l'aiguille d'une boussole est le pôle Nord. On dira que les pôles identiques se repoussent et que les pôles contraires s'attirent. Par convention, les lignes de champ partent du pôle Nord en direction du pôle Sud de l'aimant ou de l'électroaimant (solénoïde). Champ magnétique produit par un solénoïde (lignes vertes) Source : smp maroc Q18. Dans vos propres mots, qu’est-ce qu’un solénoïde? C'est une bobine de fil conducteur (en général du cuivre) qui sert à produire un champ magnétique assez puissant. Q19. À quoi peut servir le solénoïde dans un moteur électrique selon vous? À bouger sous l'effet d'un aimant permanent ou à faire bouger un aimant permanent. Avant d'aller plus loin, il serait pertinent de faire quelques exercices sur la production de champs magnétiques par les courants électriques. Faites la section suivante de votre cahier de savoirs et d’activités : Pages 227 à 233 au complet et page 238 exercices 4 et 5 : Pages 146 à 155 au complet : Champ magnétique d’un fil — Champ magnétique d’un solénoïde Passons maintenant à l'analyse du moteur électrique. Vous avez pu constater que le champ magnétique d'un aimant pouvait générer un mouvement (rotation de l'aiguille d'une boussole) et qu'il en est de même pour le champ magnétique d'un électroaimant (solénoïde) à la différence près qu'on peut modifier la force et l'orientation de ce dernier. Commencez-vous à douter maintenant pourquoi on retrouve ces deux composants dans un moteur électrique. Tâche 3 : Analyser un moteur électrique. Au laboratoire, on vous donnera un petit moteur électrique que vous pourrez démonter. Analysons maintenant ses composantes. Source : Guy Mathieu But : Identifier les composantes essentielles d'un moteur électrique et expliquer leurs fonctions. Matériel nécessaire : un moteur électrique identifié avec une étiquette démontable un trombone un petit aimant droit Manipulations : 1. À l'aide du trombone, retirer la partie blanche du moteur électrique. 2. Dans le rectangle identifié « Dessin 1, les électrodes », faire un dessin de l'intérieur du couvercle blanc du moteur électrique. 3. Dans le rectangle identifié « Dessin 2, le moteur », faire un dessin de l'intérieur du moteur vu du dessus. La tige au centre du moteur s'appelle l'arbre. Identifier l'arbre sur le dessin 2. 4. Faire tourner l'arbre et bien observer ce qui se passe à l'intérieur (disposition des composantes). 5. Pousser sur l'arbre pour faire sortir la partie rotative du moteur, le rotor. On appelle la partie fixe à l'intérieur du boitier le stator. 6. Identifier le rotor et le stator sur le dessin 2. 7. Insérer le trombone dans le stator. Noter vos observations dans le tableau 1. 8. Approcher le trombone du rotor. Noter vos observations dans le tableau 1. 9. Approcher un aimant droit du rotor. Noter vos observations dans le tableau 1. Résultats et observations Dessins représentant le moteur électrique Rotor Dessin 1 : Les balais Stator Arbre Dessin 2 : Le moteur Tableau 1 : Magnétisme du rotor et du stator en présence d'objets Objets testés Rotor Stator Trombone Rien Attraction Aimant Attraction Attraction Analyse des composants : On dit qu'une substance est magnétique lorsqu'elle possède les propriétés d'un aimant et qu'elle est ferromagnétique lorsqu'elle ne les possède qu'en présence d'un aimant. Q20. Classez les composants suivants selon qu'ils soient magnétiques, ferromagnétiques ou non magnétiques. Composants Magnétique Ferromagnétique Arbre X Boitier X Intérieur du stator X X Couvercle de plastique Pièce ronde du rotor Non magnétique X Dans le petit moteur étudié, le stator est composé de deux aimants et le rotor, de trois électroaimants. Pour comprendre le fonctionnement d'un moteur électrique, il est toutefois essentiel de savoir comment on peut inverser le champ magnétique de l'électroaimant (inverser le courant qui circule à l'intérieur des solénoïdes). Avec les électrodes en formes de petits balais, on s’organise pour que le contact entre ceux-ci et les bornes des solénoïdes changent à chaque tiers de tour de l’arbre. Ainsi dans un tiers de tour, le contact de la borne positive (fil rouge) se fait avec le début des solénoïdes et celui avec la borne négative (fil noir) avec la fin des solénoïdes. C’est le contraire dans le deuxième tiers de tour et ainsi de suite! Ce sont les forces liées à la répulsion de deux pôles magnétiques semblables et à l’attraction de deux pôles contraires qui créent le mouvement de rotation de l’arbre d’un moteur électrique. Analyse du fonctionnement : À l'aide du moteur démontable utilisé précédemment, répondez aux questions suivantes dans le but de comprendre le rôle de chaque composant du moteur électrique. Q21. Quel avantage procure l’usage d’un électroaimant par rapport à un aimant usuel? L’usage d’un électroaimant permet de faire varier le champ magnétique en l’interrompant et en le reprenant dans un solénoïde à tous les tours. On peut donc créer un mouvement continu de rotation par l’alternance de l’alimentation des 3 solénoïdes. Q22. Pourquoi insérer une pièce composée d’une substance ferromagnétique au centre du solénoïde? La substance ferromagnétique agit comme un aimant lorsqu’elle est placée dans un champ magnétique. Elle amplifie donc le champ magnétique du solénoïde Q23. Observez les électrodes que vous avez dessinées à la figure 1. Observez attentivement la pointe de l'arbre de rotation et la disposition des connecteurs1. À quoi servent les connecteurs? Dans quel but ont-ils cette disposition? Le but du connecteur est d'acheminer le courant aux trois électroaimants. Ils se connectent donc aux balais qui eux seront connectées à la source. Les deux extrémités du solénoïde sont branchées à deux connecteurs différents pour que les électrodes qui y sont rattachées soient de signe contraire. Q24. Faites tourner l'arbre et observez bien le mouvement des connecteurs sur celui-ci. Qu'observez-vous par rapport à la position de chaque connecteur et celle de chaque électrode? Quel impact ce changement a-t-il sur le courant? Les balais changent de connecteurs à tous les tiers de tour de l'arbre. Cela a pour but d’alimenter les solénoïdes à tour de rôle. Un seul solénoïde est alimenté par le courant à chaque fois. Quand l’arbre se déplace d’un tiers de tour, c’est le solénoïde suivant qui est alimenté. Q25. Qu'arrive-t-il au champ magnétique des électroaimants lorsque le courant est inversé? Le champ magnétique est également inversé. Le pôle nord devient un pôle sud et vice-versa. Ainsi, l'attraction devient une répulsion et l'arbre continue à tourner. Q26. Branchez un voltmètre aux connecteurs du moteur et faites tourner l’arbre. Qu’observez-vous? Le champ magnétique est également inversé. Le pôle nord devient un pôle sud et vice-versa. Ainsi, l'attraction devient une répulsion et l'arbre continu à tourner. Nous appelons « connecteurs » les pièces de métal situées sur l’arbre qui touchent aux électrodes. Nous appelons « balais » la partie des électrodes située dans le couvercle du moteur et qui rejoint les connecteurs. 1 Conclusion : En guise de conclusion pour cette partie de l'analyse, résumez dans le tableau qui suit le rôle des divers composants du moteur électrique. Composants Couvercle de plastique Rôle Sert à maintenir les balais en contact avec les connecteurs. Boitier Sert à maintenir en place les composants (couvercle, balais, connecteurs, arbre, solénoïdes et aimants permanents) Stator Produit un champ magnétique permanent qui exerce une force sur les électroaimants. Rotor Produit un champ magnétique qui change de sens à tous les tiers de tour afin de créer un mouvement de répulsion constant. Arbre Sert d'axe autour duquel le rotor va tourner et pourra ainsi entraîner avec lui toutes pièces que l'on désire faire tourner (Ex. les pales d'un ventilateur). Connecteurs Sert à relier les électroaimants à la source d'alimentation par l'intermédiaire des balais. Visionnement d’une vidéo Si vous voulez fabriquer d'une façon simple un petit moteur électrique, allez à l'adresse internet suivante : http://www.youtube.com/watch?v=xbCN3EnYfWU Vue en coupe d'une pompe composée d'un moteur électrique Source : Pierre5018 Retour sur votre démarche Votre première analyse d'un appareil électrique est maintenant complétée. Dans le tableau suivant, pour chaque énoncé, cochez la case qui correspond le plus à ce que pensez. Énoncés vous décrivant Totalement vrai En partie vrai Faux Je prends soin de bien réfléchir avant de faire une manipulation. Je suis autonome au laboratoire et j’exécute les manipulations avec les bonnes techniques Lorsque je ne suis pas certain de ce qu'il faut faire, je me valide auprès de l'enseignant (ou du technicien). Je peux compléter un protocole en proposant des manipulations manquantes. Je réponds soigneusement aux questions d'analyse avant de consulter le corrigé. Si vous avez répondu Totalement vrai pour les 5 énoncés, tout va bien pour vous. Vous avez la bonne attitude et vous n'avez qu'à la conserver tout au long de ce cours. Dans le cas contraire, vous savez déjà sur quel(s) aspect(s) vous devrez redoubler d'effort. Prenez le temps de vous poser les questions précédentes ou d'autres questions semblables sur vos habitudes de travail. En réfléchissant sur vous même régulièrement, vous développerez vos compétences plus rapidement. Un proverbe dit que « C'est en forgeant qu'on devient forgeron. » Bien que ce soit vrai, les meilleurs forgerons ne sont pas nécessairement ceux qui ont le plus forgé. Les meilleurs ont beaucoup forgé et ont aussi beaucoup réfléchi!